張錦繡，陳學(xué)雷，曹喜濱*，安軍社

（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 衛(wèi)星技術(shù)研究所，哈爾濱 150080；2. 中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家天文臺(tái)，北京 100012；3. 中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190）

月球軌道編隊(duì)超長(zhǎng)波天文觀測(cè)微衛(wèi)星任務(wù)

張錦繡1，陳學(xué)雷2，曹喜濱1*，安軍社3

（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 衛(wèi)星技術(shù)研究所，哈爾濱 150080；2. 中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家天文臺(tái)，北京 100012；3. 中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190）

月球背面能夠有效屏蔽來(lái)自地球并同時(shí)遮擋來(lái)自太陽(yáng)的射電信號(hào)干擾，擁有太陽(yáng)系中近乎最安靜的電磁環(huán)境，是開(kāi)展空間超長(zhǎng)波天文觀測(cè)的最佳選擇區(qū)域。在立足完成空間干涉實(shí)驗(yàn)的基本任務(wù)目標(biāo)基礎(chǔ)、并力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)的研究思路基礎(chǔ)上，研制并發(fā)射兩顆微衛(wèi)星，搭載“嫦娥4號(hào)”任務(wù)進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，自主完成地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)，在有效燃料約束下形成環(huán)月大橢圓軌道編隊(duì)，構(gòu)建環(huán)月超長(zhǎng)波天文干涉儀。說(shuō)明了系統(tǒng)的工作模式，對(duì)數(shù)據(jù)處理與科學(xué)分析方法進(jìn)行了論述，包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、干涉成像與全天功率譜獲取角度，進(jìn)而從支持服務(wù)模塊和科學(xué)載荷模型兩個(gè)方面對(duì)微衛(wèi)星方案進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述，凝練了項(xiàng)目任務(wù)解決的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題。月球軌道編隊(duì)超長(zhǎng)波天文觀測(cè)微衛(wèi)星的實(shí)施將通過(guò)全球首個(gè)繞月近距編隊(duì)飛行系統(tǒng)，構(gòu)建全球首個(gè)星–星干涉射電天文觀測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)而打開(kāi)人類認(rèn)識(shí)宇宙的新窗口。

超長(zhǎng)波觀測(cè)；干涉測(cè)量；月球軌道編隊(duì)；微衛(wèi)星

0 引 言

近年來(lái)，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）和歐洲航天局（ESA）等國(guó)際航天機(jī)構(gòu)紛紛將微納衛(wèi)星引入到深空探測(cè)項(xiàng)目中，或充分利用一次深空探測(cè)任務(wù)的運(yùn)載能力將多顆微納衛(wèi)星送入探測(cè)軌道，或?qū)⑽⒓{衛(wèi)星作為補(bǔ)充功能模塊與主探測(cè)器形成完備可靠的探測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)探測(cè)任務(wù)的效能或效益的最大化。

在30 MHz以下的超長(zhǎng)波波段的天文觀測(cè)，由于受到地球電離層的影響，一直發(fā)展緩慢，空間觀測(cè)將是打開(kāi)這一觀測(cè)窗口的關(guān)鍵?？v觀當(dāng)前空間超長(zhǎng)波觀測(cè)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況，其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)可以概略如下：①月球背面是宇宙超長(zhǎng)波觀測(cè)的最佳環(huán)境，超長(zhǎng)波觀測(cè)正在由地基系統(tǒng)向空間系統(tǒng)發(fā)展；②此前單平臺(tái)觀測(cè)所得全天平均譜差異性較大，尚缺乏在低于30 MHz譜段認(rèn)知宇宙的高質(zhì)量全天空巡天圖像，無(wú)法為宇宙黑暗時(shí)代的研究探索提供有效支撐[1-3]，月基/環(huán)月超長(zhǎng)波射電干涉系統(tǒng)是解決超長(zhǎng)波天文觀測(cè)的有效手段[4-6]。然而，相比地球望遠(yuǎn)鏡陣列的建設(shè)，月球探測(cè)任務(wù)機(jī)會(huì)屬稀缺資源，成為制約系統(tǒng)建設(shè)的瓶頸。

綜上所述，為充分利用“嫦娥4號(hào)”中繼衛(wèi)星發(fā)射過(guò)程中的運(yùn)載剩余能力，在充分調(diào)研相關(guān)空間科學(xué)探測(cè)前沿領(lǐng)域基礎(chǔ)上[7-9]，結(jié)合國(guó)內(nèi)相關(guān)單位在微小衛(wèi)星及空間科學(xué)探測(cè)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，提出了繞月超長(zhǎng)波天文觀測(cè)微衛(wèi)星計(jì)劃，將首次實(shí)現(xiàn)繞月編隊(duì)飛行，并開(kāi)展超長(zhǎng)波探測(cè)。

月球軌道超長(zhǎng)波天文觀測(cè)微衛(wèi)星將在人類從未有效觀測(cè)的低頻段進(jìn)行天文觀測(cè)，是國(guó)際首個(gè)用于這一目的的空間計(jì)劃。同時(shí)采用微納衛(wèi)星編隊(duì)飛行與分布式信息關(guān)聯(lián)技術(shù)，將是國(guó)際上首個(gè)星–星干涉技術(shù)驗(yàn)證。針對(duì)這一波長(zhǎng)的射電天文探測(cè)將革命性地開(kāi)創(chuàng)射電天文研究的新領(lǐng)域，有望取得一大批國(guó)際領(lǐng)先的具有重大影響的創(chuàng)新成果。

1 任務(wù)目標(biāo)

項(xiàng)目將按照“立足基本任務(wù)目標(biāo)、力爭(zhēng)重大科學(xué)突破”的思路開(kāi)展設(shè)計(jì)與研制，具體任務(wù)目標(biāo)如下：

1）拓展微小型航天器在深空探測(cè)中的應(yīng)用，進(jìn)行深空編隊(duì)飛行關(guān)鍵技術(shù)演示驗(yàn)證。主要包括：微小型深空探測(cè)器技術(shù)、深空編隊(duì)低成本相對(duì)導(dǎo)航技術(shù)、星間通信、測(cè)距和時(shí)間同步一體化技術(shù)以及不規(guī)則引力場(chǎng)中編隊(duì)協(xié)調(diào)控制技術(shù)等。

2）驗(yàn)證空間超長(zhǎng)波干涉測(cè)量技術(shù)和三維基線寬視場(chǎng)綜合成像方法。主要包括：基于分布式多載荷的超長(zhǎng)波干涉測(cè)量技術(shù)、基于最優(yōu)估計(jì)理論的高精度三維基線事后處理技術(shù)、復(fù)雜環(huán)境電磁噪聲標(biāo)定、抑制和隔離理論與技術(shù)以及空間超長(zhǎng)波大視場(chǎng)成像技術(shù)等。

3）開(kāi)展全天圖像獲取和全天射電頻譜測(cè)量等超長(zhǎng)波天文探索研究。主要包括：獲取高分辨率超長(zhǎng)波段天空?qǐng)D像，研究射電源低頻輻射性質(zhì)；觀測(cè)全天射電頻譜，探索宇宙黑暗時(shí)代；觀測(cè)太陽(yáng)和系內(nèi)行星的超長(zhǎng)波射電活動(dòng)等。

2 任務(wù)總體方案

作為“嫦娥4號(hào)”任務(wù)的搭載試驗(yàn)項(xiàng)目，月球軌道編隊(duì)超長(zhǎng)波天文觀測(cè)衛(wèi)星由A、B兩顆相同的微衛(wèi)星組成，總質(zhì)量（含星箭分離裝置）為91 kg。其中B星額外搭載了由沙特阿拉伯王國(guó)阿卜杜勒–阿齊茲國(guó)王科技城研制的微型光學(xué)相機(jī)。

兩顆微衛(wèi)星將隨同“嫦娥4號(hào)”中繼衛(wèi)星一起進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道。待中繼衛(wèi)星分離后，兩顆微衛(wèi)星分別與運(yùn)載火箭分離，各自單獨(dú)完成地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)階段的飛行。進(jìn)入環(huán)月大橢圓軌道后，在地面測(cè)控支持下，兩顆微衛(wèi)星經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離接近、近距離逼近后，完成編隊(duì)的初始化工作，形成相對(duì)距離在1～10 km范圍內(nèi)可變的環(huán)月軌道編隊(duì)，如圖 1所示。

圖 1 微衛(wèi)星系統(tǒng)在軌狀態(tài)Fig. 1 On-orbit configuration of formation flying

由于地球電離層的強(qiáng)烈吸收和折射，超長(zhǎng)波的地面觀測(cè)非常困難，一直未能獲得較高分辨率的天圖。國(guó)外早期空間低頻觀測(cè)設(shè)備RAE-1、RAE-2給出了第一批空間超長(zhǎng)波觀測(cè)數(shù)據(jù)[1-2]，但受限于單星探測(cè)技術(shù)，未能提供高分辨率的超長(zhǎng)波圖像。除此之外，其最大的貢獻(xiàn)在于給出了“月球背面能夠有效屏蔽來(lái)自地球的射電信號(hào)干擾，擁有太陽(yáng)系中近乎最安靜的電磁環(huán)境，是開(kāi)展超長(zhǎng)波觀測(cè)的最佳選擇”這一重要結(jié)論。因此，月球軌道編隊(duì)超長(zhǎng)波天文觀測(cè)微衛(wèi)星將月球背面太陽(yáng)本影區(qū)與地球本影區(qū)的交疊區(qū)域作為最佳工作區(qū)域，如圖 2所示。

圖 2 干涉測(cè)量模式工作區(qū)域Fig. 2 Work area of radio interferometric mode

2.1 飛行階段

自運(yùn)載火箭點(diǎn)火起飛開(kāi)始，衛(wèi)星共經(jīng)歷發(fā)射、地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)、編隊(duì)形成、繞月工作共5個(gè)階段階段，分別定義如下：

1）發(fā)射段。從運(yùn)載火箭分離至星箭分離之間的飛行段。

2）地月轉(zhuǎn)移段。從微衛(wèi)星與運(yùn)載火箭分離至近月制動(dòng)前之間的飛行段。自星箭分離開(kāi)始，主要?jiǎng)幼靼ㄎ⑿l(wèi)星對(duì)日定向，多次軌道中途修正，直至達(dá)到月球近月點(diǎn)附近。

3）近月制動(dòng)段。從近月制動(dòng)開(kāi)始到編隊(duì)初始化前之間的飛行段。從微衛(wèi)星到達(dá)近月點(diǎn)前5分鐘開(kāi)始，進(jìn)行多次點(diǎn)火制動(dòng)，直至進(jìn)入繞月軌道，并A1星與A2星完成軌道調(diào)整以保證短期內(nèi)與月球無(wú)碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

4）編隊(duì)形成段。從兩顆微衛(wèi)星遠(yuǎn)距離接近至形成編隊(duì)之間的飛行段。包括遠(yuǎn)距離接近、中距離調(diào)整、近距離編隊(duì)初始化等。

5）環(huán)月工作段。形成編隊(duì)后的工作階段，涵蓋長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中的構(gòu)形維持和基線控制，以及超長(zhǎng)波天文干涉測(cè)量模式等。干涉測(cè)量模式主要完成月球背面太陽(yáng)不可見(jiàn)和太陽(yáng)可見(jiàn)兩種不同工況下的天文干涉測(cè)量試驗(yàn)等。攜帶沙特相機(jī)的B星擇機(jī)進(jìn)入對(duì)月成像模式。

微衛(wèi)星系統(tǒng)飛行過(guò)程如圖 3所示。

圖 3 微衛(wèi)星系統(tǒng)飛行過(guò)程Fig. 3 Mission flight process of formation flying

2.2 系統(tǒng)工作模式

依據(jù)任務(wù)不同，系統(tǒng)軌工作模式可分為超長(zhǎng)波科學(xué)觀測(cè)模式、特殊事件觀測(cè)模式、對(duì)月成像模式（僅B星）以及對(duì)地?cái)?shù)傳模式。

作為星上核心模塊的科學(xué)觀測(cè)載荷，工作模式可具體劃分為：星間測(cè)量模式、科學(xué)載荷工作模式、對(duì)地?cái)?shù)據(jù)傳輸模式。其中科學(xué)載荷工作模式主要包括在軌測(cè)試模式、時(shí)間馴服模式、常規(guī)工作模式、特殊事件觀測(cè)模式、星間傳輸模式、待機(jī)模式。

圖 4 有效載荷工作模式Fig. 4 Work mode of payload

各模式定義如下：

1）在軌測(cè)試模式。在軌測(cè)試階段，衛(wèi)星平臺(tái)測(cè)試完成后進(jìn)入載荷在軌測(cè)試模式。該模式下有效載荷開(kāi)機(jī)，進(jìn)行在軌測(cè)試階段的系統(tǒng)性測(cè)試，包括有效載荷功能和性能測(cè)試。在軌測(cè)試模式每次持續(xù)20 min，當(dāng)次結(jié)束后自動(dòng)切換到待機(jī)模式。

2）常規(guī)工作模式（譜、梳狀濾波）。當(dāng)干涉儀滿足遮擋條件準(zhǔn)備進(jìn)行科學(xué)觀測(cè)時(shí)，進(jìn)入該模式。該模式分三步，首先在保證平臺(tái)穩(wěn)定、A星和B星建立星間鏈路的條件下，進(jìn)行時(shí)間馴服達(dá)到指標(biāo)，約10 min；之后，有效載荷進(jìn)行常規(guī)科學(xué)觀測(cè)，約10 min。該模式科學(xué)數(shù)據(jù)主要為譜測(cè)量數(shù)據(jù)和梳狀濾波數(shù)據(jù)。觀測(cè)完成后，自動(dòng)切換到待機(jī)模式。

3）特殊事件觀測(cè)模式（譜、梳狀濾波、原始采集數(shù)據(jù)）。針對(duì)特殊事件進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，通過(guò)地面上行指令切換到該模式。該模式分三步，首先在保證平臺(tái)穩(wěn)定、A星和B星建立星間鏈路的條件下，進(jìn)行時(shí)間馴服達(dá)到指標(biāo)，約10 min；之后，有效載荷進(jìn)行常規(guī)科學(xué)觀測(cè)，約10 min。該模式科學(xué)數(shù)據(jù)主要為原始采集數(shù)據(jù)、譜測(cè)量數(shù)據(jù)和梳狀濾波數(shù)據(jù)。觀測(cè)完成后，自動(dòng)切換到待機(jī)模式。

4）待機(jī)模式。有效載荷不進(jìn)行在軌測(cè)試和科學(xué)觀測(cè)時(shí)，均處于該模式。該模式下，有效載荷設(shè)備僅進(jìn)行健康狀態(tài)的監(jiān)控。

表 1 有效載荷工作模式Table 1 Work mode of payload

在以上1～3三種觀測(cè)模式中，均需要對(duì)接收系統(tǒng)進(jìn)行周期性的外定標(biāo)及內(nèi)定標(biāo)。其中在外定標(biāo)中雙星互發(fā)雙頻定標(biāo)信號(hào)，可以提高星間測(cè)距精度。在內(nèi)定標(biāo)中，包括了DA信號(hào)注入和噪聲信號(hào)注入，可以對(duì)接收通道相位和頻譜響應(yīng)進(jìn)行標(biāo)定，定標(biāo)周期和定標(biāo)時(shí)長(zhǎng)根據(jù)接受通道的穩(wěn)定性確定。一般情況下，定標(biāo)周期持續(xù)時(shí)間為秒級(jí)。有效載荷工作周期如圖 5所示。

圖 5 有效載荷工作周期Fig. 5 Work cycle of payload

2.3 數(shù)據(jù)處理與科學(xué)分析

包括對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理分析，整理并發(fā)布數(shù)據(jù)產(chǎn)品如天圖、星表等，并結(jié)合數(shù)據(jù)開(kāi)展科學(xué)研究。

1）數(shù)據(jù)預(yù)處理

（1）數(shù)據(jù)整理、編輯和標(biāo)記。對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和檢查，識(shí)別各系統(tǒng)是否工作正常，剔除有問(wèn)題的數(shù)據(jù)，獲得根據(jù)時(shí)間和類型排列好的數(shù)據(jù)。

（2）電磁干擾的識(shí)別。在月球背面軌道上進(jìn)行觀測(cè)過(guò)程中，相關(guān)電磁干擾主要來(lái)源于衛(wèi)星本身設(shè)備電路的射頻泄漏、星間通訊、月球著巡組合電磁信號(hào)等。上述干擾信號(hào)頻譜具有一定的穩(wěn)定性，發(fā)生時(shí)間也往往有一定規(guī)律性，采用濾波方法盡可能避開(kāi)強(qiáng)干擾的頻率，并在處理中標(biāo)記（flag）、屏蔽（mask）發(fā)現(xiàn)干擾的頻率和時(shí)段。

（3）定標(biāo)校準(zhǔn)。分梯次對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo)校準(zhǔn)。根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)置定標(biāo)源校準(zhǔn)，以發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)點(diǎn)源或大面積天空背景平均值數(shù)據(jù)作為定標(biāo)數(shù)據(jù)。事先通過(guò)地面實(shí)測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)，研究由于溫度等因素導(dǎo)致的變化規(guī)律。結(jié)合星上定標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，利用星上定標(biāo)源、天空背景和點(diǎn)源，對(duì)系統(tǒng)的頻譜響應(yīng)、增益、基線和時(shí)間殘差、儀器相位等進(jìn)行定標(biāo)，獲得校準(zhǔn)后的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要進(jìn)行合并、平均、壓縮等，建立用于成圖或測(cè)譜的數(shù)據(jù)集。

（4）時(shí)間同步。收到衛(wèi)星回傳的時(shí)域數(shù)據(jù)后，為獲得高動(dòng)態(tài)范圍的干涉成像，對(duì)兩顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的校準(zhǔn)提高時(shí)間同步精度。

2）干涉成像與全天功率譜的獲得

（1）干涉成像。射電干涉儀接收的電平信號(hào)經(jīng)互相關(guān)后產(chǎn)生干涉顯示度數(shù)據(jù)，顯示度（Visibility）與全體射電強(qiáng)度分布關(guān)系為

其中：（u，v，w）是以波長(zhǎng)為單位的干涉基線矢量坐標(biāo)值；（l，m）是天球任一點(diǎn)相對(duì)于參考點(diǎn)的方向余弦；I（l，m）是該點(diǎn)的輻射強(qiáng)度；A（l，m）是天線在該方向的響應(yīng)。在通常的應(yīng)用中，如果視場(chǎng)局限在一小區(qū)域內(nèi)且基線處在一個(gè)平面上，該式可簡(jiǎn)化為一個(gè)二維傅立葉變換。利用觀測(cè)獲得的顯示度數(shù)據(jù)，通過(guò)逆變換，即可實(shí)現(xiàn)天空輻射的綜合成像。但在本應(yīng)用中，由于受到大視場(chǎng)、非共面基線等因素的影響，天文顯示度數(shù)據(jù)中的“w”項(xiàng)的影響變得尤為重要，如果忽略“w”項(xiàng)會(huì)引起相位誤差，已不能簡(jiǎn)單地通過(guò)二維FFT準(zhǔn)確重建圖像。因此在干涉成像中需發(fā)展特殊技術(shù)進(jìn)行處理。目前在地面陣觀測(cè)中，針對(duì)這一問(wèn)題的處理方法包括小視場(chǎng)拼接技術(shù)、“w”項(xiàng)投影技術(shù)、“w”項(xiàng)堆疊技術(shù)（w-stacking）、三維傅里葉變換及球諧函數(shù)成像等技術(shù)實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)干涉成像。

（2）全天平均頻譜的獲得。兩顆衛(wèi)星上的處理單元對(duì)1～30 MHz的帶寬信號(hào)進(jìn)行采樣、FFT、累加后回傳到地面，同時(shí)回傳的數(shù)據(jù)還包括衛(wèi)星姿態(tài)信息以及時(shí)間同步信息。其預(yù)處理過(guò)程（檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量、識(shí)別干擾、定標(biāo)校準(zhǔn)等）與前述成像類似。對(duì)同一頻點(diǎn)上的數(shù)據(jù)依時(shí)間累加，得到信噪比較高的頻譜數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的月球遮蔽和天線指向設(shè)計(jì)權(quán)重因子，獲取不同天區(qū)的頻譜。通過(guò)差分頻譜，進(jìn)一步分析全天不同方向輻射的頻譜特點(diǎn)。

（3）快變事件觀測(cè)。采用地面監(jiān)視系統(tǒng)觸發(fā)以及星上系統(tǒng)自觸發(fā)相結(jié)合，在獲取快變事件的觀測(cè)數(shù)據(jù)后，通常采用達(dá)波方向估計(jì)方法以及極化角測(cè)量方法（Gonio Polarimetry）對(duì)射電快變事件進(jìn)行空間定位。進(jìn)而通過(guò)對(duì)雙天線的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，得到兩個(gè)天線信號(hào)的時(shí)間延遲和相位，然后與單天線得到的方向進(jìn)行匹配，進(jìn)一步提高方向估計(jì)的精度。同時(shí)，對(duì)于超長(zhǎng)波射電快變事件采用分步、分類處理方法實(shí)現(xiàn)頻譜數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理以及各種事件特征信息的自動(dòng)提取。

數(shù)據(jù)經(jīng)上述處理后，可獲得超長(zhǎng)波波段的全天平均頻譜與不同頻點(diǎn)上的天圖。其中全天平均頻譜是宇宙黑暗時(shí)代21 cm整體頻譜信號(hào)的前景，需要進(jìn)行研究分析，獲知前景的譜型、譜指數(shù)、組份等信息。由于月球的屏蔽效應(yīng)、根據(jù)天線指向、可得出不同天區(qū)的譜型并進(jìn)行比較。利用月球遮蔽差分，月面反射波干涉，可以提取出強(qiáng)射電源的頻譜。

天圖與頻譜中混雜著不同天體的射電輻射組分，主要包括銀河系同步輻射、河內(nèi)及河外射電源輻射、太陽(yáng)和行星輻射等，也包括黑暗時(shí)代中性氫輻射的微量貢獻(xiàn)。通過(guò)對(duì)天圖的分析，找出其中超過(guò)本底一定閾值的源，建立星表，測(cè)量其位置、流量、譜指數(shù)等，并與其它波段的觀測(cè)交叉比對(duì)，認(rèn)證出對(duì)應(yīng)的天體，例如超新星遺跡、類星體、射電星系等等。對(duì)天圖的大尺度結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，識(shí)別出銀河系內(nèi)輻射區(qū)和星際介質(zhì)的分布等。對(duì)一些已知的脈沖星進(jìn)行消色散分析，驗(yàn)證是否能探測(cè)到脈沖星。

在超長(zhǎng)波波段，連續(xù)源較多，譜線較少，但也發(fā)現(xiàn)過(guò)一些譜線，如碳的高階復(fù)合線（Recombination Line）等，對(duì)可能存在的譜線進(jìn)行搜索。對(duì)于連續(xù)譜，可通過(guò)時(shí)間平均獲得高精度的整體譜。在衛(wèi)星運(yùn)行期間，月球遮擋的天空不斷變化，同時(shí)太陽(yáng)、太陽(yáng)系內(nèi)行星、某些變?cè)?、日地空間產(chǎn)生的輻射等也可能發(fā)生一些變化。兩顆衛(wèi)星在任一時(shí)刻觀測(cè)的天空也不完全相同。通過(guò)對(duì)不同時(shí)段獲取的頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，可以分離出這些變化的組分，從而發(fā)現(xiàn)一些強(qiáng)源、變?cè)?。提取出?qiáng)源、變?cè)锤_的頻譜和圖像，改進(jìn)校準(zhǔn)精度，獲得更精確的全天平均頻譜。準(zhǔn)確測(cè)出前景譜后，進(jìn)而使用主成分分析、獨(dú)立成分分析等方法進(jìn)行前景減除，搜尋黑暗時(shí)代信號(hào)。

3 微衛(wèi)星方案

3.1 微衛(wèi)星方案概述

微衛(wèi)星由支持與服務(wù)模塊和科學(xué)載荷模塊兩大部分組成，如圖 6所示。其中，支持與服務(wù)模塊由結(jié)構(gòu)及機(jī)構(gòu)模塊、熱控模塊、綜合電子模塊、姿軌測(cè)量控制模塊、推進(jìn)模塊、測(cè)控?cái)?shù)傳模塊、電源與供配電模塊以及系統(tǒng)軟件模塊組成；載荷模塊包括科學(xué)探測(cè)載荷模塊以及沙特相機(jī)模塊?？茖W(xué)探測(cè)載荷模塊雙星均安裝，而沙特載荷模塊只在B星安裝。

圖 6 微衛(wèi)星系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig. 6 Components of lunar micro-satellite

圖 7 微衛(wèi)星系統(tǒng)構(gòu)型圖Fig. 7 Configuration of lunar micro-satellite

3.2 各功能模塊設(shè)計(jì)要點(diǎn)

微衛(wèi)星創(chuàng)新性的采用推進(jìn)系統(tǒng)貯箱（圖 8）作為整星的主承力結(jié)構(gòu)，貯箱下端框連接承力筒及星箭分離機(jī)構(gòu)，作為與運(yùn)載火箭提供的衛(wèi)星支架的對(duì)接結(jié)構(gòu)。星箭分離機(jī)構(gòu)采用低沖量分離螺母與彈簧分離相結(jié)合，降低對(duì)星箭分離時(shí)對(duì)微衛(wèi)星沖擊。

圖 8 基于貯箱的衛(wèi)星主承力結(jié)構(gòu)方案Fig. 8 Tank-based main bearing-load structure

綜合電子系統(tǒng)（圖 9）采用電子系統(tǒng)集中管理方案，各功能模塊不設(shè)下位機(jī)，由計(jì)算機(jī)直接外擴(kuò)接口完成星務(wù)管理、姿態(tài)軌道控制，測(cè)控終端、整星熱控及電源管理等功能。此外，在奔月過(guò)程中采用雙機(jī)熱備份提高可靠性，在軌長(zhǎng)期工作則以冷備份模式降低微衛(wèi)星的能源需求。系統(tǒng)軟件模塊以BM3803為主處理器，uCOS-III為操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的星務(wù)管理、姿態(tài)與軌道控制、電源管理與熱控管理。

圖 9 綜合電子系統(tǒng)組成框圖Fig. 9 Architecture of integrated electrical module

科學(xué)探測(cè)載荷模塊（原理框架圖如圖 10所示）包括超長(zhǎng)波射電天文測(cè)量、載荷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與運(yùn)行管理、星間鏈路三部分，含兩個(gè)干涉儀天線、一個(gè)集成了所有電路板的電子學(xué)模塊和一副星間鏈路天線。其中A星鏈路天線采用中增益、窄波束、貼片圓極化天線；B星鏈路天線采用低增益、寬波束、單極子天線。

圖 10 科學(xué)載荷模塊原理框圖Fig. 10 Principle scheme of scientific payload

姿軌測(cè)量控制模塊采用星敏感器、太陽(yáng)敏感器和慣性測(cè)量組件對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)，衛(wèi)星軌道確定由地面測(cè)軌上注與星上軌道遞推共同完成。利用反作用飛輪組+推力器組件進(jìn)行姿態(tài)控制和整星角動(dòng)量管理?？刂葡到y(tǒng)長(zhǎng)期工作于整星零動(dòng)量狀態(tài)下，根據(jù)整星能源、軌道維持及科學(xué)探測(cè)任務(wù)要求，可實(shí)現(xiàn)對(duì)日、B星、地球定向三軸穩(wěn)定控制；系統(tǒng)具備姿態(tài)軌道協(xié)同控制能力，可根據(jù)軌道轉(zhuǎn)移、維持要求進(jìn)行軌道調(diào)整；具備雙星編隊(duì)相對(duì)導(dǎo)航功能，可實(shí)現(xiàn)雙星相對(duì)距離、方位的測(cè)量；軌控以地面上注軌控參數(shù)為主。

推進(jìn)模塊采用單組元肼推進(jìn)系統(tǒng)，配備4只0.2 N推力器和4只5 N推力器。0.2 N推力器主要用于整星角動(dòng)量的管理、編隊(duì)維持及軌控過(guò)程中姿態(tài)的維持，并具備獨(dú)立完成三軸穩(wěn)定控制的能力；5 N推力器主要用于衛(wèi)星軌道調(diào)整與維持，同時(shí)具備俯仰、偏航軸姿態(tài)調(diào)整能力。

測(cè)控?cái)?shù)傳模塊采用了測(cè)控應(yīng)答機(jī)雙機(jī)備份、數(shù)傳模塊共用高增益天線分時(shí)工作的方案，通過(guò)雙機(jī)備份保證星地測(cè)控通道的可靠工作，同時(shí)通過(guò)共用高增益天線提高模塊的功能密度。電源與供配電模塊采用了三結(jié)GaAs太陽(yáng)電池與18650鋰離子蓄電池組聯(lián)合供電方案，為整星提供能源和供配電管理。衛(wèi)星熱控采用了被動(dòng)熱控為主+主動(dòng)電加熱為輔的熱控方案，充分利用衛(wèi)星各模塊自身的熱輻射特性調(diào)節(jié)溫度分布，通過(guò)合理設(shè)計(jì)散熱面及包覆多層隔熱材料以減小外部熱流影響。

4 關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題

1）大視場(chǎng)三維動(dòng)態(tài)基線干涉成像機(jī)制與方法。射電干涉成像系統(tǒng)擬攻克的主要部分為空間運(yùn)動(dòng)的可變基線超長(zhǎng)波超大視場(chǎng)射電干涉處理技術(shù)，所需的射電成像技術(shù)與以往有很大不同：絕大多數(shù)射電望遠(yuǎn)鏡固定在地面上，基線的變化只是繞地球自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，而擬研制設(shè)備中的基線方向和長(zhǎng)度則隨著衛(wèi)星飛行不斷變化；以往大部分天文觀測(cè)是對(duì)較小視場(chǎng)內(nèi)的天區(qū)進(jìn)行，利用天線初級(jí)波束（Primary Beam）方向性，只觀測(cè)一小部分天區(qū)內(nèi)的信號(hào)，這樣數(shù)據(jù)比較容易處理，且往往可以忽略信號(hào)相位差中的“w-項(xiàng)”，用逆傅里葉變換獲得天圖。擬研制設(shè)備中初級(jí)波束為全天覆蓋，不僅無(wú)法省略“w-項(xiàng)”，并且各方向的信號(hào)混在一起，更難分析和識(shí)別問(wèn)題。且沒(méi)有已知的天文源可用于校準(zhǔn)和檢測(cè)。由于數(shù)據(jù)傳輸能力的限制，數(shù)據(jù)帶寬窄、積分時(shí)間短，噪聲大，平臺(tái)自身也可能產(chǎn)生較強(qiáng)干擾。這些都增加了數(shù)據(jù)處理的難度。目前該技術(shù)國(guó)內(nèi)外尚無(wú)公開(kāi)資料表明已有科研成果，也無(wú)可用的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、測(cè)試，需要新研成像處理方法。擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題是，在三維變動(dòng)基線、全天視場(chǎng)、較大噪聲條件下的定標(biāo)校準(zhǔn)和成像處理算法。

2）復(fù)雜環(huán)境電磁噪聲標(biāo)定、抑制和隔離理論與方法。頻譜測(cè)量的難點(diǎn)在于，要進(jìn)行超寬頻帶（相對(duì)帶寬2）的測(cè)量，而限于載荷重量只能使用響應(yīng)隨頻率變化較大、駐波較強(qiáng)的電小天線，衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)備也存在較強(qiáng)自身干擾，并在缺乏天文定標(biāo)源的情況下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精密定標(biāo)校準(zhǔn)。因此，擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題是，電小天線寬頻帶接收機(jī)的頻譜測(cè)量技術(shù)、頻譜數(shù)據(jù)的精密定標(biāo)校準(zhǔn)方法、電磁干擾的識(shí)別和減除方法、不同天區(qū)和天體的頻譜提取方法、前景頻譜的盲分析方法等，以實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍和精度的頻譜觀測(cè)。

3）空間射電源突發(fā)瞬變現(xiàn)象的觀測(cè)與識(shí)別、定位機(jī)理與方法。太陽(yáng)及行星的低頻射電輻射往往具有突發(fā)性和快速時(shí)變特性，同時(shí)，太陽(yáng)的日冕物質(zhì)拋射（Coronal Mass Ejection，CME）隨著時(shí)間在變化，為了揭示行星際日冕物質(zhì)拋射的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，需要對(duì)其進(jìn)行跟蹤觀測(cè)。因此，擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題包括：高靈敏度觸發(fā)觀測(cè)模塊的研制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)快變時(shí)間的觀測(cè)；高效實(shí)時(shí)觸發(fā)算法的開(kāi)發(fā)，提高系統(tǒng)對(duì)空間快變事件的觀測(cè)能力；低信噪比下信號(hào)的達(dá)波方向估計(jì)方法研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行高精度定位。

4）揭示多體及不規(guī)則引力場(chǎng)下分布式系統(tǒng)的非線性動(dòng)態(tài)特性及狀態(tài)耦合機(jī)理。與近地編隊(duì)相比，儀器設(shè)備擬運(yùn)行的繞月編隊(duì)具有大偏心率、環(huán)繞天體引力場(chǎng)分布強(qiáng)非線性等特點(diǎn)，此外當(dāng)儀器設(shè)備遠(yuǎn)月點(diǎn)在地月之間時(shí)，受到地球引力場(chǎng)的強(qiáng)烈影響。同時(shí)，月球軌道、甚至深空復(fù)雜攝動(dòng)力作用下相對(duì)運(yùn)動(dòng)的高精度建模尚有待進(jìn)行深入研究。項(xiàng)目擬定量分析月球軌道編隊(duì)在大橢圓軌道、月球非球形引力攝動(dòng)、地球太陽(yáng)及太陽(yáng)系行星的引力攝動(dòng)、太陽(yáng)光壓攝動(dòng)、后牛頓效應(yīng)等復(fù)雜空間攝動(dòng)力、歲差章動(dòng)等因素影響下，相對(duì)姿態(tài)與軌道的耦合特性及其非線性特征，為繞月編隊(duì)干涉儀分布式平臺(tái)設(shè)計(jì)和控制提供理論支撐。

5 創(chuàng)新點(diǎn)

1）打開(kāi)人類認(rèn)識(shí)宇宙的新窗口。項(xiàng)目所觀測(cè)頻段是當(dāng)前所能觀測(cè)的最長(zhǎng)波長(zhǎng)的電磁輻射，也是最后一個(gè)尚未被深入研究的電磁波段。項(xiàng)目將觀測(cè)宇宙天體圖像和頻譜，在超長(zhǎng)波射電研究領(lǐng)域跨出具有劃時(shí)代意義的第一步，帶領(lǐng)人們進(jìn)入一個(gè)全新的認(rèn)知領(lǐng)域。由于星際空間等離子體的吸收，這是一個(gè)迄今尚未被觀測(cè)認(rèn)識(shí)的“處女地”，有望取得具有重大科學(xué)意義的新發(fā)現(xiàn)。

2）構(gòu)建全球首個(gè)星間干涉射電天文觀測(cè)系統(tǒng)。此前空間射電天文干涉成像系統(tǒng)，只有俄羅斯的Radio-Astron和日本的VSOP[10]，均為單個(gè)衛(wèi)星搭載射電望遠(yuǎn)鏡與地面射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行干涉成像，項(xiàng)目將是全球首個(gè)由兩個(gè)空間射電望遠(yuǎn)鏡相互干涉成像的系統(tǒng)；Radio-Astron和VSOP都是在高頻進(jìn)行VLBI觀測(cè)，觀測(cè)目標(biāo)都是單個(gè)亮射電源，項(xiàng)目將開(kāi)展全天成像觀測(cè)試驗(yàn)，在天文綜合孔徑成像技術(shù)方面也是一個(gè)重要的新突破，也將力爭(zhēng)進(jìn)行國(guó)際首次全天空大視場(chǎng)射電成像。

3）實(shí)現(xiàn)全球首個(gè)繞月近距編隊(duì)飛行系統(tǒng)。近年來(lái)人們對(duì)衛(wèi)星編隊(duì)飛行技術(shù)進(jìn)行了一些試驗(yàn)探索，但迄今為止僅極少數(shù)國(guó)家成功部署了環(huán)繞地球飛行的衛(wèi)星編隊(duì)。項(xiàng)目采用繞月編隊(duì)飛行的形式，在軌形成分布式干涉儀，利用月球背面優(yōu)越的射電環(huán)境，進(jìn)行超長(zhǎng)波射電觀測(cè)。此外，也將探索大橢圓軌道近距離編隊(duì)，同時(shí)也是首次在無(wú)GPS依托情況下對(duì)自主相對(duì)導(dǎo)航、相對(duì)時(shí)間同步等編隊(duì)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展驗(yàn)證，將為未來(lái)深空干涉陣列的進(jìn)一步應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

6 結(jié)束語(yǔ)

鑒于宇宙不同階段的電磁輻射特征的明顯差異性，只有獲取了宇宙的完整電磁譜段觀測(cè)，才有可能對(duì)宇宙的發(fā)生、發(fā)展、演化、結(jié)局等重要的科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行研究。因此，天文學(xué)觀測(cè)領(lǐng)域的每一次技術(shù)創(chuàng)新，都會(huì)引領(lǐng)一大批原創(chuàng)性的科研成果。

對(duì)于超長(zhǎng)波段宇宙的研究目前僅僅是依據(jù)有限數(shù)據(jù)進(jìn)行猜想。毫無(wú)疑問(wèn)，獲取超長(zhǎng)波觀測(cè)數(shù)據(jù)，將極大地豐富人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)，月球軌道編隊(duì)超長(zhǎng)波天文觀測(cè)微衛(wèi)星作為后續(xù)天基超長(zhǎng)波天文望遠(yuǎn)鏡陣列的先驅(qū)性試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)，其飛行演示驗(yàn)證將可能引爆空間科學(xué)及天文學(xué)領(lǐng)域的國(guó)際研究熱點(diǎn)。

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通信地址：哈爾濱工業(yè)大學(xué)科學(xué)園3012信箱（150080）

電話：（0451）86416447-8302

E-mail：jinxiu@hit.edu.cn

陳學(xué)雷（1969– ），男，研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：宇宙學(xué)研究，科學(xué)應(yīng)用負(fù)責(zé)人。

通信地址：北京市朝陽(yáng)區(qū)大屯路甲20號(hào)中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)

電話：（010）64841655

E-mail：xuelei@bao.ac.cn

曹喜濱（1963– ），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：微小型航天器系統(tǒng)設(shè)計(jì)，項(xiàng)目任務(wù)總師。

通信地址：哈爾濱工業(yè)大學(xué)科學(xué)園3012信箱（150080）

電話：（0451）86416447-8407

E-mail：xbcao@hit.edu.cn

Formation Flying Around Lunar for Ultra-Long Wave Radio Interferometer Mission

ZHANG Jinxiu1，CHEN Xuelei2，CAO Xibin1*，AN Junshe3
（1. Research Center of Satellite Technology，Harbin Institute of Technology Harbin 150001；2. National Astronomical Observatory，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100012；3. National Space Science Center，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190）

The farside of the Moon can effectively block the radio interference from the Earth and the Sun，which provides almost the quietest electromagnetic environment within the solar system. Hence，it would be the best place to make astronomical super-long wavelength observation in the space. In this mission，we will realize the basic mission goal of conducting interferometry experiment，and will also try to make important scientific discoveries. Two micro satellites will be manufactured and launched into space by piggybacking on the CHANG’E-4 mission. The two satellites will be detached from the rocket at the start of the earth-moon transfer orbit and conduct orbit transfer autonomously，and make a brake as closing to the moon. Due to limited fuel supply，the orbit is a large ellipse orbit. They are to fly in formation and perform super long wave interferometry at the lunar farside of the orbit. In this paper the work modes of the system is presented，and the data processing and analysis methods are discussed，including the data pre-processing，the interference imaging and global spectrum measurement. The micro-satellite supporting services model and the scientific payload model are also described. The key technology problems are summarized. With this project，the first formation flying microsatellite system in lunar orbit is realized，and the first star-star interferometry astronomical observation is conducted.

ultra-long wave radio；interferometer；lunar formation flying；micro-satellite

P171.3

A

2095-7777（2017）02-0158-08

10.15982/j.issn.2095-7777.2017.02.009

張錦繡（1978– ），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：分布式航天器系統(tǒng)設(shè)計(jì)，衛(wèi)星系統(tǒng)負(fù)責(zé)人。

[責(zé)任編輯：楊曉燕，英文審校：朱魯青]

張錦繡，陳學(xué)雷，曹喜濱，等. 月球軌道編隊(duì)超長(zhǎng)波天文觀測(cè)微衛(wèi)星任務(wù)[J]. 深空探測(cè)學(xué)報(bào)，2017，4（2）：158-165.

Reference format: Zhang J X，Chen X L，Cao X B，et al. Formation flying around lunar for ultra-long wave radio interferometer mission [J]. Journal of Deep Space Exploration，2017，4（2）：158-165.

2017-03-13

2017-03-27